(Phys.org) — Batterie più potenti potrebbero aiutare le auto elettriche a raggiungere un'autonomia considerevolmente più ampia e quindi una svolta nel mercato. Qui potrebbe entrare in gioco un nuovo nanomateriale per batterie agli ioni di litio sviluppato nei laboratori dei chimici dell'ETH di Zurigo e dell'Empa.

Forniscono energia alle auto elettriche, biciclette elettriche, Smartphone e laptop:oggigiorno, le batterie ricaricabili agli ioni di litio sono il supporto di memorizzazione preferito quando si tratta di fornire una grande quantità di energia in un piccolo spazio e leggero. Tutto il mondo, gli scienziati stanno attualmente ricercando una nuova generazione di tali batterie con prestazioni migliorate. Gli scienziati guidati da Maksym Kovalenko del Laboratorio di chimica inorganica dell'ETH di Zurigo e dell'Empa hanno ora sviluppato un nanomateriale che consente di immagazzinare molta più energia nelle batterie agli ioni di litio.

Il nanomateriale è composto da minuscoli cristalli di stagno, che devono essere dispiegati al polo negativo delle batterie (anodo). Quando si caricano le batterie, gli ioni di litio vengono assorbiti da questo elettrodo; durante lo scarico, vengono nuovamente rilasciati (vedi riquadro). "Più ioni di litio possono assorbire e rilasciare gli elettrodi, meglio possono respirare, per così dire:più energia può essere immagazzinata in una batteria, " spiega Kovalenko.

Cristalli uniformi

L'elemento stagno è l'ideale per questo:ogni atomo di stagno può assorbire almeno quattro ioni di litio. Però, la sfida è affrontare la variazione di volume degli elettrodi di stagno:il cristallo di stagno diventa fino a tre volte più grande se assorbe molti ioni di litio e si restringe di nuovo quando li rilascia di nuovo. Gli scienziati hanno quindi fatto ricorso alla nanotecnologia:hanno prodotto i più piccoli nanocristalli di stagno e ne hanno incorporati un gran numero in una superficie porosa, matrice di carbonio permeabile conduttivo. Proprio come una spugna può aspirare l'acqua e rilasciarla di nuovo, un elettrodo costruito in questo modo può assorbire gli ioni di litio durante la carica e rilasciarli durante la scarica. Se l'elettrodo fosse costituito da un blocco di stagno compatto, questo sarebbe praticamente impossibile.

Durante lo sviluppo del nanomateriale, si è posta la questione della dimensione ideale dei nanocristalli, che comporta anche la sfida di produrre cristalli uniformi. "Il trucco qui è stato quello di separare i due passaggi fondamentali nella formazione dei cristalli:la formazione di un nucleo cristallino il più piccolo possibile da un lato e la sua successiva crescita dall'altro, " spiega Kovalenko. Influenzando il tempo e la temperatura della fase di crescita, gli scienziati sono stati in grado di controllare la dimensione dei cristalli. "Siamo i primi a produrre cristalli di stagno così piccoli con una tale precisione, "dice lo scienziato.

Maggiore stabilità del ciclo

Utilizzando nanocristalli di stagno uniformi, carbonio e leganti, gli scienziati hanno prodotto diversi elettrodi di prova per le batterie. "Ciò consente di immagazzinare il doppio della potenza rispetto agli elettrodi convenzionali, " dice Kovalenko. La dimensione dei nanocristalli non ha influito sulla capacità di stoccaggio durante il ciclo iniziale di carica e scarica. Dopo alcuni cicli di carica e scarica, però, le differenze causate dalla dimensione dei cristalli divennero evidenti:le batterie con cristalli di dieci nanometri negli elettrodi erano in grado di immagazzinare molta più energia di quelle con il doppio del diametro. Gli scienziati presumono che i cristalli più piccoli funzionino meglio perché possono assorbire e rilasciare ioni di litio in modo più efficace. "I cristalli di stagno di dieci nanometri sembrano quindi essere solo il biglietto per le batterie agli ioni di litio, "dice Kovalenko.

Poiché gli scienziati ora conoscono la dimensione ideale per i nanocristalli di stagno, vorrebbero rivolgere la loro attenzione alle restanti sfide della produzione di elettrodi di stagno ottimali in ulteriori progetti di ricerca. Questi includono la scelta della migliore matrice di carbonio possibile e del legante per gli elettrodi, e la struttura microscopica ideale degli elettrodi. Inoltre, è inoltre necessario selezionare un liquido elettrolitico ottimale e stabile in cui gli ioni di litio possano viaggiare avanti e indietro tra i due poli della batteria. In definitiva, anche i costi di produzione sono un problema, che i ricercatori stanno cercando di ridurre testando quali materiali di base convenienti sono adatti per la produzione di elettrodi. L'obiettivo è preparare batterie con una maggiore capacità di accumulo di energia e durata per il mercato, anche in collaborazione con un partner industriale svizzero.